Транзистор – это полупроводниковый прибор, основными функциями которого является преобразование, усиление и коммутация электрических сигналов и имеет три вывода. Также транзистор является ключевым элементом любых микросхем как базовая единица. Первый полупроводниковый транзистор был представлен в 1947 году, а в 1956 году за это изобретение и исследование полупроводников была присуждена Нобелевская премия по физике Уильяму Шокли и Джону Бардину. По сути изобретение транзистора было попыткой улучшить вакуумный триод, улучшив его характеристики и уменьшив его размеры. В 1950х годах было начато серийное производство биполярных транзисторов.
Основными материалами для производства транзисторов сейчас являются кремний (Si), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и арсенид галлия (GaAs), который преимущественно применяется в высокочастотных приборах. Существует несколько видов транзисторов, отличающихся по типу работы. Из основных наиболее распространенных типов можно выделить три:
- Биполярные транзисторы (BJT)
- Полевые транзисторы (FET)
- Биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ, IGBT)
Биполярный транзистор (BJT, bipolar junction transistor) – самый старый из всех видов и представляет собой структуру чередующихся областей полупроводника с разными типами проводимости n-p-n (основными носителями заряда являются электроны) или p-n-p (основными носителями заряда являются дырки). В числе главных преимуществ - возможность работы с достаточно высокими токами и простота изготовления. Применяется как ключевой и усилительный элемент в электронных схемах. Из недостатков можно выделить большое энергопотребление и управление током базы.
Биполярный транзистор состоит из 3 областей: коллектора, эмиттера и базы. В зависимости от включения с помощью этого типа можно реализовывать разные схемы работы. Основные применения – усилители и в качестве ключа.
Полевой транзистор (FET, field effect transistor) – наиболее применяемый тип транзисторов на данный момент. Он обладает многими преимуществами перед биполярными, что и обуславливает его повсеместное использование, например: высокое входное сопротивление, увеличенное быстродействие, управление напряжением и др.
Существует два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n переходом (JFET) и с изолированным затвором (MOSFET), последний из которых является самым распространенным. JFET (junction field effect transistor) работает только в режиме истощения (depletion mode), поэтому сферы его применения весьма ограничены.
MOSFET (metal-oxide-semiconductor field effect transistor) на сегодня самый используемый тип транзисторов в мире. Он состоит из областей стока и истока одного типа проводимости, интегрированных в подложку другого типа и разделенных между собой. Затвор представляет собой металлический контакт, который отделен от полупроводниковой части диэлектриком. При подаче определенного напряжения на затвор, индуцируется канал в подложке между истоком и стоком, что соответствует открытию транзистора.
Традиционно полевые транзисторы изготавливаются из кремния. Но в последнее десятилетие активно развивается производство транзисторов из карбида кремния. MOSFET из карбида кремния может работать с большими напряжениями и на гораздо более высокой частоте. Эта характеристика при создании преобразователей на SiC MOSFET помогает очень сильно выигрывать в размерах устройства и уменьшении (удешевлении) обвязки.
Полевые транзисторы применяются сейчас почти везде: бытовая техника, промышленная автоматика, источники питания, автоэлектроника и много где еще.
Третий основной по распространению вид транзисторов – IGBT (insulated gate bipolar transistor). Исходя из названия «Биполярный Транзистор с Изолированным Затвором», понятно, что это гибрид разных технологий. В 90х годах прошлого столетия хотелось иметь полупроводниковый прибор, сочетающий большую мощность, как у тиристоров, так низкие потери как у полевого транзистора.
IGBT транзистор представляет собой биполярный транзистор, управляемый полевым. Сфера применения в основном мощные устройства: преобразователи частоты, тяговый привод электротранспорта, источники питания.
Современные IGBT работают с напряжениями до 10 килоВольт и токами в несколько килоАмпер.
